發(fā)布時(shí)間：2020-03-27 11:15

【摘要】：隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人口的增長(zhǎng),世界能源消費(fèi)量不斷增加,同時(shí),化石燃料對(duì)環(huán)境的惡化和全球氣候的影響也越來越嚴(yán)重。面臨著節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境的挑戰(zhàn),人們必須開發(fā)先進(jìn)的清潔能源系統(tǒng)。固體氧化物燃料電池是一項(xiàng)高效且環(huán)保的新能源技術(shù),它將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能和熱能,而無需燃燒,為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)提供了行之有效的解決方案,引起了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注和研究。電池中陰極的極化損失非常大,為了建立一個(gè)高效的燃料電池,深入理解陰極氧還原反應(yīng)機(jī)制是至關(guān)重要的。本文以基于陰極La_(0.6) _(25)S r_(0.3) _(75)Co_(0.25)F e_(0.75).75 O_(3-δ)和電解質(zhì)Ce_(0.95)Gd_(0.05).05 O_(1.9) _5的固體氧化物燃料電池為研究對(duì)象,建立一個(gè)研究陰極氧還原反應(yīng)的多尺度模型。本文的主要研究?jī)?nèi)容有:建立陰極La_(0.6) _(25)S r_(0.3) _(75)Co_(0.25)F e_(0.75).75 O_(3-δ)和電解質(zhì)Ce_(0.95)Gd_(0.05).05 O_(1.9) _5的晶體結(jié)構(gòu),采用基于密度泛函理論和廣義梯度近似的第一性原理計(jì)算方法,對(duì)氧還原反應(yīng)的過程中,在陰極材料LSCF的表面上、LSCF的內(nèi)部以及LSCF和電解質(zhì)材料GDC的交界面上所發(fā)生的反應(yīng)以及氧離子在LSCF表面和內(nèi)部擴(kuò)散時(shí)的能量勢(shì)壘進(jìn)行計(jì)算,并比較在不同配置的晶體結(jié)構(gòu)下,氧還原反應(yīng)過程中的各個(gè)子步驟的能量勢(shì)壘。根據(jù)過渡態(tài)理論,利用密度泛函理論計(jì)算得到的能量勢(shì)壘,計(jì)算得到每一反應(yīng)步驟的反應(yīng)速率常數(shù)和傳輸過程中的擴(kuò)散速率。進(jìn)行連續(xù)介質(zhì)模擬。采用由過渡態(tài)理論計(jì)算得到反應(yīng)速率常數(shù)和擴(kuò)散率,依據(jù)連續(xù)介質(zhì)模型得到超電勢(shì)與電流密度的關(guān)系,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)照,表明結(jié)果是可靠的。最后,進(jìn)行靈敏度分析,通過比較每一步反應(yīng)相應(yīng)的反應(yīng)參數(shù)對(duì)超電勢(shì)與電流密度的影響的大小,來確定陰極處氧氣發(fā)生還原反應(yīng)的關(guān)鍵步驟。靈敏度分析表明,O-O鍵發(fā)生斷裂的過程對(duì)電池性能有顯著的影響,即為反應(yīng)中的關(guān)鍵步驟。
【圖文】：

電化學(xué)反應(yīng)示意圖

圖 1-1 陰極模型分類電極反應(yīng)機(jī)理是電化學(xué)研究的基礎(chǔ)問題，可靠的反應(yīng)機(jī)制有助于提高電池性能。受固態(tài)離子導(dǎo)電理論發(fā)展的限制，近 20 年來，研究人員開始嘗試建立 SOFC 陰極模型。首先，在固體氧化物燃料電池中，三相邊界（TPB）是穩(wěn)定存在的，它是氣體分子、陰極和電解質(zhì)材料的結(jié)合點(diǎn)。同時(shí)，在陰極側(cè)也存在氣/陰極和陰極/電解質(zhì)的兩相邊界，它帶來了幾種可能的氧還原途徑。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TM911.4

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